基于多频相移的相位偏折测量透明物体表面三维形貌

光学三维测量中的相位偏折测量术以其快速、高精度、稳定抗干扰的优点,在光学表面测量、快速检测等领域得到广泛应用。透明物体因其上下表面的折射和反射,导致相机采集到不同表面反射叠加的混合条纹,传统的相位偏折测量术难以对其进行有效的三维测量。为解决该问题,文中提出一种基于多频相移的相位偏折法测量透明物体的表面三维形貌。首先,显示屏显示多种不同频率与多步相移结合的正弦条纹,从另外一个角度相机采集物体表面反射的混合条纹。然后,利用最小二乘法迭代将混合条纹进行分离,得到上下表面折叠相位并展开。接着,通过梯度标定确定相位与梯度的关系,根据梯度积分恢复透明物体表面的三维形貌。最后,实验证明所提方法能够有效实现混合条纹的分离,实测透明玻璃板上表面的平均误差从32.4μm减少到5.1μm,结果验证了混合条纹分离方法的有效性,提升了透明物体表面三维形貌测量精度。与已有方法相比,文中方法可以有效避免初始相位值偏差较大带来的影响,缩短计算时间,适用于不同形状透明物体表面三维形貌的测量。

基于曲面拟合的光学偏折系统显示屏标定方法

针对透射式光学偏折系统中最关键的标定环节,提出使用曲面拟合方式拟合显示屏幕面形分布。建立基于透射式光学偏折术的波前检测仿真模型,分析两种不同的显示屏面形拟合方法对波前测量的影响。仿真结果显示:平面屏幕模型波前像差均方根误差(RMS)值为0.8375μm,而曲面屏幕模型仿真波前像差RMS值仅为0.0596μm。采用透射式光学偏折系统对球面透镜进行波前测量,曲面屏幕模型中波前像差RMS值为0.1371μm,平面屏幕模型中波前像差RMS值为1.4326μm。实验结果表明:使用曲面拟合效果明显优于平面拟合效果,证明了曲面拟合屏幕模型的可行性。

基于相位测量偏折术的透明物体表面缺陷检测

目前国内对玻璃、透镜等透明物体的质量控制仍使用传统方法,传统的肉眼评估方法效率低下。为实现透明物体表面缺陷的自动化检测,提出一种基于相位测量偏折术(Phase Measuring Deflectometry,PMD)的透射式检测方法。利用结合了新相移图案生成计算式的PMD算法生成结构光条纹图案,使用透射式系统将该条纹图案投射到被测物体表面。相机采集经被测物体折射后的变形条纹图片,生成绝对相位图,通过识别绝对相位图中的局部畸变提取缺陷。通过分析周期错位导致误检的原因,提出一种绝对相位周期错位修正的方法。新相移图案生成计算式能提前修正周期错位现象,二者结合使用能提高相位展开的精度。以焦距为300 mm的凹、凸透镜为例进行实验,结果表明该方法能准确地提取出因表面缺陷导致的绝对相位图中的局部畸变,精度为0.1 mm。

高速混合流场下星光偏折的观测实验

天文导航是一种重要的飞行器自主导航手段。在高速飞行器上进行的观测,不可避免地会受到窗口外侧高速流场的扰动,使得星敏感器捕获的星点图像出现偏移、模糊等退化现象,影响天文定位定姿精度。对星图退化的计算和校正的研究多基于计算机仿真结果。文中建成了一座可在实验段中生成马赫2.5/3.5混合层结构的小型静风洞,以直径10 m的室内穹顶上的仿真星点为观测对象,透过实验段中不同位置的流场进行了星点观测和中心点解算,获得了星点图像受到流场扰动的数据,并将其与计算机仿真结果进行对比。结果表明:导航星光偏折量高于计算机仿真的估计值。在喷口近端,高速混合流场对星光偏折的扰动较大,垂直流场方向的偏折均值小于0.5″,沿流场方向偏离均值为3.85″,最大接近4.89″;在喷口远端,垂直方向星光偏折均值为-1.36″,沿流场方向偏折均值约-0.49″,最高达-2.69″。近端星光偏折变化幅度较小,稳定性较远端更强,有利于建模校正。该实验对校正仿真模型、优化高速流场下的天文定姿精度有着重要的意义。

基于偏折法的碟式聚光器抛物镜面法向误差快速检测方法

为实现碟式聚光器抛物镜面的法向误差快速检测,针对单目偏折法缺少深度信息的不足,拟构建一种迭代拟合算法,通过拟合计算得到二次曲面系数,修正镜面坐标系与相机坐标系之间的转换误差,实现对称碟式聚光器抛物镜面的快速定位与法向误差计算。搭建实验平台,进行5次不同位姿的抛物镜面测量实验,获得被测抛物镜面单元的实际法线方向数据,与镜面设计面形的标准法线方向相比,其平均误差为7.3591 mrad;5次测量的抛物镜面法向误差结果相近,其整体标准差为5.0278 mrad;与镜面面形基准数据相比较,验证了该方法测得的法向误差低于20 mrad。实验结果表明该方法可行,且具有快速性和稳定性。

基于分布位错法研究多条微裂纹对偏折主裂纹的影响

目的 采用理论方法求解多条微裂纹对偏折主裂纹的影响,重点分析偏折主裂纹尖端的力学行为及微裂纹对主裂纹扩展角度和闭合区域的影响等问题,为实际的工程应用提供理论依据。方法 运用叠加原理将主问题分解成2个子问题,通过材料力学方法求解子问题一;基于分布位错方法求解子问题二。进一步建立关于位错密度的奇异积分方程,利用Gauss-Chebyshev数值求积分法解决位错密度方程的奇异性问题,并通过计算机编写程序,最终得到相关力学参量的数值解。结果 得到了偏折主裂纹附近的应力场以及微裂纹长度、微裂纹个数对偏折主裂纹尖端应力强度因子的影响等相关力学参量。分析了主裂纹不同偏折角度时的闭合区域,以及微裂纹的方位角、微裂纹个数等对偏折主裂纹扩展角度的影响。结论 裂纹面对拉应力有屏蔽作用,导致拉应力在裂纹面附近应力松弛,而裂纹尖端对拉应力有放大作用,随着应力增加将导致裂纹的扩展。一条微裂纹位于主裂纹尖端约–30°<θ<50°时,将使主裂纹尖端应力强度因子增加,促进主裂纹的扩展,而微裂纹位于50°<θ<90°或–90°<θ<–30°时,将使主裂纹尖端应力强度因子减小,抑制主裂纹的扩展。主裂纹尖端应力强度因子随微裂纹长度的增加而变大,随微裂纹与主裂纹间距离的增加而减小。

基于外置光阑针孔相机的高精度偏折测量技术

设计了一种外置光阑的针孔相机镜头,可免去传统方法复杂的相机标定过程,采用影像仪和三坐标测量机实现测量系统各元件空间位置的几何标定,并依靠相移算法实现屏幕与相机像素的精准匹配。实验结果表明,本文提出的偏折测量结果与干涉仪测试结果偏差优于20 nm RMS,可满足光学镜面加工研磨阶段到抛光阶段的过渡测量需求,为光学加工车间提供了可靠、经济、高效的面型评估,具有广泛的应用前景。

一种高精度气动光学星光偏折预测方法

基于星光折射的新型天文导航方法具有自主性强、导航精度高的特点,在航空航天领域受到了广泛关注。然而,当星光穿过高超声速飞行器外的复杂流场时会发生气动光学效应,导致星光传播方向发生偏折,引起星光矢量测量误差进而影响天文导航的精度。传统基于拟合模型的星光偏折预测法利用数据拟合星光偏折角模型用于预测补偿,这种方法忽略了星光偏折的物理过程,对用于拟合的数据精度以及数据量要求高,能取得的精度有限。针对这一问题,本文提出了一种基于解析计算结果的高精度气动光学星光偏折预测方法。通过分析气体通过锥面激波后的流动规律,基于PSO-BP网络构建了流场的密度代理模型。通过分析星光在流场中发生偏折的机理,综合考虑了激波以及激波后流场对星光传播的影响,建立了一种精确的星光偏折角模型。进一步结合密度代理模型与星光偏折角模型设计了气动光学星光偏折预测方法,以实现对星光偏折的高精度预测与补偿。仿真结果表明,相比于传统的数据拟合模型预测法,所提方法能对星光偏折角实现亚角秒级别的高精度预测,能补偿80%以上的气动光学效应所导致的星光偏折,并且能大幅简化预测模型的构建过程,具有较高的适用性和工程应用价值。

一维六方压电准晶体中Ⅲ型偏折裂纹的断裂问题

利用复变函数方法分析得出偏折裂纹的应力场、能量释放率和J积分的解析形式,研究一维六方压电准晶体中Ⅲ型偏折裂纹的断裂问题,分析讨论偏折裂纹尖端场强度因子受分支裂纹偏折角和裂纹相对尺寸的影响。经过研究发现,随着裂纹偏折角的增加,主支和分支裂纹尖端的无量纲应力强度因子减小。随着裂纹相对尺寸的增加,主支和分支裂纹尖端的无量纲应力强度因子增加。

冲击疲劳裂纹扩展的偏折现象

考察了在冲击疲劳载荷下低碳钢试样表面裂纹扩展的偏折现象，结果表明，冲击疲劳裂纹扩展的微观途径是以ｚｉｇｚａｇ 方式为主要特征的晶界、滑移带、邻近裂纹间的相互作用是引起裂纹扩展偏折的三个主要因素。晶界和滑移带的影响主要体现在短裂纹扩展阶段，邻近裂纹间相互作用的影响贯穿于整个冲击疲劳裂纹扩展阶段，尤其在疲劳后期的表现更为突出，它使得裂纹扩展以微裂纹连接的方式进行。相应于裂纹扩展微观途径的改变，裂纹扩展速率在短裂纹扩展阶段会出现波浪式变化。

条纹投影与相位偏折测量技术研究进展

条纹投影和相位偏折测量术可用于精确地测量待测物面形,在全场光学三维轮廓测量领域具有较好的发展前景。首先,介绍了条纹投影和相位偏折测量技术的基本原理,重点是这两种技术中的相位提取技术、摄像机定标技术等关键技术。其次,对条纹投影和相位偏折测量术这两种测量方法的异同点做了对比。最后,介绍了条纹投影和相位偏折测量技术在提升测量精度和速度方面的发展。为了提升测量精度,主要有校正条纹Gamma效应、提升相位提取精度、摄像机标定精度和相位-高度/梯度标定精度等途径;为了提升测量速度,主要有提升相位提取速度、相位解包裹速度等方法。

高灵敏度莫尔偏折法及其在激波风洞流场中的应用

本文介绍了一种具有高灵敏度的莫尔偏折法，从理论上分析了其工作和测量原理。并把这种方法用于高超声速激波风洞中流场的显示和测量，获得了几种特殊模型流场的清晰莫尔偏折图，定量计算了高超声速激波风洞中带有凸起物模型三维密度场的分布。

强激光上行大气传输热晕效应导致的光束偏折研究

从激光大气传输热晕效应理论出发,提出了热畸变参数矢量模型概念,基于热畸变参数矢量模型,通过激光系统仿真软件EasyLaser,对激光上行远距离大气传输场景下光束偏折大小、偏折方向随矢量热畸变参数的变化规律进行了研究,结果表明,采用热晕效应热畸变参数矢量模型,光束偏折大小与矢量热畸变参数的模呈近线性增长,偏折方向与矢量热畸变参数的方向相反.基于光束偏折与矢量热畸变参数的规律,通过对光束传输路径上大气环境参数进行准实时测量,可为激光系统实际应用中光束偏置的预评估提供手段.

黑腔中高斯型激光束偏折的模拟研究

利用三维激光等离子体相互作用流体程序LAP3D数值模拟研究了高斯光束在均匀等离子体传播过程中的激光束偏折现象,分别考察了激光强度变化和等离子体横向流的流速变化对束偏折的影响。模拟结果表明:当流速接近离子声速时,激光束偏折效应最明显,此时激光偏折程度与激光强度成正比;当流速逐渐小于离子声速时,激光束偏折行为受抑制逐渐减弱;而当流速逐渐大于离子声速时,激光光强包络的变化以衍射效应为主。

深埋椭圆形片状裂纹的偏折扩展

基于无限大弹性基体深埋椭圆形片状裂纹的变形场,推导了椭圆形片状裂纹的能量释放率,采用能量平衡方法建立了椭圆形片状裂纹承受拉应力和剪应力时的复合断裂准则.考虑裂纹在拉-剪应力作用下的偏折扩展,分析了裂纹的偏折方向,提出了椭圆形片状裂纹发生偏折扩展时的初始偏折位置的确定方法.

次表面偏折裂纹尖端力学行为的分布位错理论分析

目的在复杂载荷作用下,采用理论方法求解半无限大平面内次表面偏折裂纹的力学性质。方法根据叠加原理把问题分成两部分,其一采用弹性力学,其二采用分布位错原理,并利用Gauess-Chebyshev数值求解法进行求解,二者联合求解力学参量。结果得到了偏折裂纹在相应偏折角下,不同深度、长度比、载荷比对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响曲线,并分析在此工况下裂纹的扩展方向。应力强度因子,会随着偏折部分长度的增加而增大,随着裂纹埋置深度的增加而减小,随着裂纹横、剪载荷比的增加而增大。裂纹会沿着顺时针方向扩展并随着偏折角的增大而增大,靠近表面的一侧更容易发生扩展。结论载荷比、裂纹埋置深度以及长度比较大时,裂纹更容易向表面扩展,从而形成开放裂纹,裂纹沿着顺时针方向扩展,且随偏折角的改变而改变。

面向精密制造的光学自由曲面在位偏折测量技术

复杂光学曲面的在位测量是当前精密工程领域面临的重要难题。偏折术对光学曲面的测量精度可与干涉仪相比,而且拥有更高的测量效率、稳定性及动态范围,因此具有广阔的应用前景。但是偏折测量本质上是一个标定问题,其测量精度直接取决于几何标定的可靠性。本文结合单点金刚石切削机床设计了原位偏折测量系统,采用机床中自带的气浮转台安装辅助反射镜,在两个姿态下进行光线追迹,通过数值优化计算各元件之间的相对位置,将标定精度提高一个数量级。根据反向投影偏差的统计规律,可有效分离工件的面形偏差与位姿误差。该方法有效利用了工件的名义面形信息,将传统的位置-面形单向映射转变为双向映射,显著提高了在位测量的灵活性与效率。对于复杂的自由曲面,采用子孔径拼接测量方法,对待测的局部区域发展了精准定位技术,有效保证了迭代重构过程的正确收敛。采用离轴抛物镜等光学曲面进行实验验证,所提出的偏折测量方法的精度优于150 nm RMS。

大气紫外临边辐射及偏折效应影响研究

首先基于输运理论建立了UV波段大气的临边辐射模型,提出了球面大气累加的解算方法。然后根据Snell折射定律及球面三角公式,给出了大气偏折时临边几何程的计算方法。最后计算了典型大气模式、典型切向高度时大气的临边透过率与临边辐射亮度,分析了大气偏折效应带来的影响。计算结果可为星载光学探测系统的仿真应用提供相关的理论基础,也可为全球环境变化、气候预测等研究提供重要参数。

高超声速飞行器楔面激波的光线偏折校正模型

天文定姿是飞行器实现高精度自主导航的重要技术手段之一。高超声速飞行器在飞行过程中会产生激波,造成光线偏折,影响星敏感器的观测和天文定姿导航的性能。现代高超声速飞行器多采用乘波体设计,其载荷舱部分可简化为楔面结构。论文聚焦高超声速飞行器上楔面激波,基于空气动力学理论,给出了高超声速楔面激波结构参数的解析计算方法,以及激波对光线偏折影响的量化测算模型。提出了一种利用解析计算结果控制光线偏折的校正模型,讨论了激波角测量误差在该模型中的传播,证明了激波角测量误差与其引起的校正效果偏差其呈负线性相关。仿真试验表明,在高度20 km、马赫数5-8的条件下,楔面上方形成稳定的激波结构,对入射光线造成的偏折可达6.8";解析计算方法获得的激波角参数与试验结果误差在0.1"以内。这意味着运用该模型来校正光线偏折的误差可以控制在激波角观测误差的量级,可以显著提升观测精度。

Schwarzschild引力场中Proca光线的偏折

检验光子的静质量对验证狭义相对论的理论基础“光速不变原理”有着重要的意义。已有的检验方法通常是在没有引力场的情况下进行的 ,得到光子静质量的上限值是mr≤ 7× 10 -52 g。这里主要讨论有引力场时可能造成的影响 ,并以球对称引力场为例 ,计算了有质量光子对应的光线偏折 ,发现若光子有静质量 ,偏折角将发生改变 。